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CST仿真案例:热疗Hyperthermia --- 生物模型,血液对流,新陈代谢,多物理

来源: | 作者:thinks | 发布时间: 2023-11-17 | 1051 次浏览 | 分享到:

这期我们看一个自带案例,高温热疗。和射频消融术一样,都是用电磁能量加热局部肿瘤组织,从而达到治疗目的。

 

打开案例:

 

CST仿真案例:热疗Hyperthermia --- 生物模型,血液对流,新陈代谢,多物理 

            

该案例是模拟直肠癌患者的治疗,为了防止皮肤表面对电磁波的强反射,案例用了一个圆柱水材料模型模拟水袋。

 

CST仿真案例:热疗Hyperthermia --- 生物模型,血液对流,新陈代谢,多物理 

 

天线是8个偶极子,材料和床板都是有热仿真参数的PEC:

 

CST仿真案例:热疗Hyperthermia --- 生物模型,血液对流,新陈代谢,多物理 

 

再看组织材料,是voxel像素模型:

 

CST仿真案例:热疗Hyperthermia --- 生物模型,血液对流,新陈代谢,多物理 

 

其中血管除了热仿真参数,还有个bloodflow,人体血液灌注率(bloodperfusion coefficient),与温度相关;这个数据可由血液流速和密度等数据进行推导,详情见帮助文档。

 

CST仿真案例:热疗Hyperthermia --- 生物模型,血液对流,新陈代谢,多物理 

 

再看肌肉,血液灌注率明显没血液高,但是多了一个新陈代谢率:

 

CST仿真案例:热疗Hyperthermia --- 生物模型,血液对流,新陈代谢,多物理 

 

再看皮肤,又多了一个体表对流系数:

 

CST仿真案例:热疗Hyperthermia --- 生物模型,血液对流,新陈代谢,多物理 

 

其他几十种人体组织材料我们就不看了。

 

下面查看仿真设置,电磁和热耦合任务在电路中:

 

CST仿真案例:热疗Hyperthermia --- 生物模型,血液对流,新陈代谢,多物理 

 

其中HF是高频仿真子任务,我们看一下求解器的激励情况,可见是同时激励的:

 

CST仿真案例:热疗Hyperthermia --- 生物模型,血液对流,新陈代谢,多物理 

 

实际操作中,激励不会这么简单,多振幅和相位的调整就可以控制高温的区域。功耗监视器已添加,后处理中添加了计算热损耗的模板,这两样都是电磁和热耦合仿真的重点:

 

CST仿真案例:热疗Hyperthermia --- 生物模型,血液对流,新陈代谢,多物理 

 


热仿真用的THs稳态求解器,等下再看,我们直接主任务电路中更新全部子任务开始仿真:


CST仿真案例:热疗Hyperthermia --- 生物模型,血液对流,新陈代谢,多物理 

 

先看看HF这个子任务的电磁结果,电磁造成的热损是3.35W:

 

CST仿真案例:热疗Hyperthermia --- 生物模型,血液对流,新陈代谢,多物理 

 

损耗密度:

CST仿真案例:热疗Hyperthermia --- 生物模型,血液对流,新陈代谢,多物理 

 

然后我们去到热仿真子任务,功率是电磁结果放大了50倍;这里有个特殊设置,计算血液流动:

 

CST仿真案例:热疗Hyperthermia --- 生物模型,血液对流,新陈代谢,多物理 

 

查看温度分布:

 

 

CST仿真案例:热疗Hyperthermia --- 生物模型,血液对流,新陈代谢,多物理 

 

 

CST仿真案例:热疗Hyperthermia --- 生物模型,血液对流,新陈代谢,多物理 

 

这里热仿真还加了一些后处理,从模板名字看可知都是一些结果参数的再提取:

 

CST仿真案例:热疗Hyperthermia --- 生物模型,血液对流,新陈代谢,多物理 

 

 

其实这些结果都在1D结果里面了,再提取就成了0D结果:

 

CST仿真案例:热疗Hyperthermia --- 生物模型,血液对流,新陈代谢,多物理 

 

这里我们就看这个heat flow value的结果文档就好了,是个总结:

 

CST仿真案例:热疗Hyperthermia --- 生物模型,血液对流,新陈代谢,多物理 

 

可见热源和热流向包括:

1.     生物新陈代谢产热99.732W

2.     血液灌注组织产热41.197W

3.     电磁损耗产热167.940W

4.     生物模型对流散热307.111W

所以,总热量为99.732+41.197+167.940-307.111=1.758W。

可能这里有人问了,血流为什么是产生热量?不是应该像水冷电脑那样排出热量吗?这是因为温度升高,血管扩张,流速加快,增加组织散热,这个效果就相当于血液本身产热了,并且是和温度呈线性相关的,所以bloodflow系数有个K,而新陈代谢系数中没有K。

 

CST仿真案例:热疗Hyperthermia --- 生物模型,血液对流,新陈代谢,多物理 

 

如果看热流密度的话,可见主要流动发生在直肠热点附近,和周围脂肪进行的的热交换;以及皮肤表面和环境之间的热对流,以及后背和桌面之间的热传导。

 

 

CST仿真案例:热疗Hyperthermia --- 生物模型,血液对流,新陈代谢,多物理 

 

小结:

1.     本案是生物模型的电磁与热仿真,考虑新陈代谢、体表散热以及血流对温度的影响;

2.     本案例只是简单演示,并没有对射频激励、热点、网格收敛等内容进行深入分析。

3.     本案例是稳态温度结果,若需要研究瞬态的加热过程,可用Tht求解器。

 

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(内容、图片来源:CST仿真专家之路公众号,侵删)

 

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